3D 打印會顛覆傳統(tǒng)制造嗎？,聚乙烯蠟生產(chǎn)廠家為您分享博士研究生王智的觀點(diǎn)。

  幾年前我還在讀本科的時(shí)候，知道了3D打印，我還記得那個(gè)時(shí)候讓我對這個(gè)技術(shù)印象深刻的一句話——“沒有打不出，只有想不到”。

  是啊，多么吸引人的技術(shù)啊，多么自然而巧妙的想法啊，機(jī)械制造專業(yè)的我開始對專業(yè)課上的一些東西開始不屑，干嘛要學(xué)這些馬上就要被淘汰的東西呢？就像CAD取代手工制圖，Pro/Engineer,SolidWorks之類的3D建模軟件又逐步取代二維CAD繪圖一樣，我也幻想著日后機(jī)械制造可以告別沙塵漫天、機(jī)器轟鳴、鐵水鋼包、機(jī)床電鉆……日后的制造將只需要人們在計(jì)算機(jī)前拖動鼠標(biāo)繪制三維模型，然后優(yōu)雅地點(diǎn)擊“打印”，剩下的就是機(jī)器的事了。這也難怪，明明已經(jīng)是Intel i7的時(shí)代了，課堂上講的還是8086架構(gòu)的CPU——那時(shí)的我堅(jiān)信鑄鍛焊機(jī)加工熱處理這些看起來低端又原始的東西早晚要被淘汰的。 

  各種新聞媒體讓人們不斷地看到新技術(shù)的能量：3D 打印造出了槍支，造出了飛機(jī)模型，造出了飛機(jī)部件，甚至造出了房子！聽說以后還可以3D打印人體器官，器官移植再不用擔(dān)心供體來源，也許長命百歲也不再是夢！面對著如此美好的未來，人們堅(jiān)信，沒有打不出，只有想不到。

  盡管曾經(jīng)有過對傳統(tǒng)制造技術(shù)的不屑，盡管我的專業(yè)課成績并不算高，但幾年的科班訓(xùn)練還是讓我在面對3D打印的時(shí)候保持了一定的冷靜。我意識到，3D打印是很好的技術(shù)，但要取代傳統(tǒng)制造，它還有很長的路要走，或許永遠(yuǎn)也取代不了。

  3D打印有很多優(yōu)勢，我每次做presentation的時(shí)候都要講一遍：它能制造出傳統(tǒng)制造方法難以制造或不能制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，增材制造的方式相比于傳統(tǒng)的減材制造節(jié)省了材料，不需要費(fèi)時(shí)又昂貴的模具，以前需要多道工序制造的產(chǎn)品通過3D打印可能一步成形……比如目前的芯片制造工藝包含了曝光(lithography)、刻蝕(etching)、氧化(oxidation)等一系列的工藝環(huán)節(jié)，而其中的每一個(gè)環(huán)節(jié)又包含了很多小的工藝環(huán)節(jié)，更麻煩的是，塵埃和微粒是生產(chǎn)芯片過程中的致命敵人，因此整個(gè)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)必須在超凈間里完成，而維持一個(gè)超凈的環(huán)境成本又很高。一枚芯片往往是多層的，這意味著以上的過程需要被重復(fù)很多次，因此，制造芯片是一件耗時(shí)又費(fèi)錢的事。還有，相信我，長時(shí)間工作在超凈間里絕對不是什么愉快的體驗(yàn)。如果未來人們可以用3D打印制造芯片，那么制造周期就將會大大縮短，因?yàn)槲覀儾辉傩枰敲炊嗟墓に嚟h(huán)節(jié)，成本也可以大大地降低，因?yàn)槲覀儗⒅恍枰粋€(gè)很小的超凈環(huán)境。順便，制造芯片的過程也會愉快很多。當(dāng)然，現(xiàn)在我們還是做不到的，那么未來我們實(shí)現(xiàn)了3D打印芯片Intel是不是就要倒閉了？也不一定。

  3D打印要面對的第一個(gè)問題，是尺寸精度。還是上面的制造芯片的例子，人們現(xiàn)在已經(jīng)掌握了14納米的硅工藝，那么3D打印可以做到多少呢？我找得到的最好的3D打印機(jī)精度可以到100微米（1微米=1000納米），Wikipedia上說更好的可以達(dá)到16微米，但這顯然不夠好，即使不同Intel的工藝比，對比傳統(tǒng)機(jī)械加工也完全沒有優(yōu)勢，很多小型的機(jī)械加工廠對一些產(chǎn)品的尺寸精度要求也可以達(dá)到半個(gè)絲（1個(gè)絲=10微米）。我PhD的研究內(nèi)容是高精度3D打印的控制算法，把材料熔化再堆積成形的3D打印是很難達(dá)到10微米以下的精度的，原因是材料在噴頭處形成的液滴直徑大概就有10微米，用直徑10微米的液滴來達(dá)到10微米以下的精度幾乎是不可能的。學(xué)術(shù)界有一些辦法來解決這個(gè)問題，其中的一種叫做Electrohydrodynamic-jet Printing，簡稱E-jet Printing，它的原理是在噴頭和打印平臺之間施加一個(gè)受控的電場，材料中的電荷受到電場的驅(qū)動會在噴頭尖端形成錐形(Taylor Cone)，Taylor Cone尖端的直徑將遠(yuǎn)小于10微米，如果繼續(xù)施加電壓，那么尖端的材料將被沉積到平臺上，形成一個(gè)小直徑的材料液滴，通過這種方式可以實(shí)現(xiàn)高精度的3D打印。在我們的實(shí)驗(yàn)室里，可以實(shí)現(xiàn)1微米甚至1微米以下的精度，但由于打印過程本身的一些特性，我們并不能保證穩(wěn)定的精度輸出，這就是我PhD研究要做的工作，通過空間的迭代學(xué)習(xí)控制算法來試圖提高打印的精度。在我研究的經(jīng)驗(yàn)和所見范圍來看，1微米的精度幾乎是目前能達(dá)到的最高精度，而從學(xué)術(shù)界到廣泛的商業(yè)應(yīng)用之間往往還有一個(gè)過程。因此，僅就芯片制造這一領(lǐng)域來說，短時(shí)間內(nèi)想通過3D打印技術(shù)來挑戰(zhàn)Intel是不太可能的，因?yàn)楣韫に囈苍谝豢滩煌５仫w速發(fā)展著。但是，并不是所有時(shí)候人們都需要14納米工藝的芯片的，如果3D打印芯片可以成功，那么在集成度不太高的應(yīng)用場合，3D打印技術(shù)就可以大大地降低成本、縮短周期。

  3D打印要面對的第二個(gè)問題，是材料受限。顯然，并不是所有的材料都能夠3D打印出來，據(jù)我所知，目前常見的3D打印機(jī)是熔化高分子材料例如加入聚乙烯蠟的ABS塑料后再成形，也有一些3D打印機(jī)可以打印特定的金屬材料。當(dāng)然這里還有一個(gè)3D打印的定義問題，學(xué)術(shù)界一直存在著幾個(gè)相關(guān)的名詞，在不同的場合都曾經(jīng)被叫作過3D打印，比如快速成形(rapid prototyping)，增材制造(additive manufacturing)，在我的印象中，并不存在一個(gè)廣泛公認(rèn)的3D打印的定義和范圍，學(xué)術(shù)界內(nèi)部交流似乎并不常用這個(gè)詞，但科學(xué)家們除了做研究還要“推銷”自己的想法(sell ideas)，所以在傳播自己的研究時(shí)會常常用到3D打印這個(gè)名字，而媒體上的3D打印包含的范圍就更廣。在這樣的現(xiàn)狀下，經(jīng)常出現(xiàn)一些人說3D打印不能做什么，但是另一些人引用媒體的報(bào)道來反駁的情形，其實(shí)彼此的“3D打印”并不是同一個(gè)定義。最夸張的，我曾經(jīng)在知乎評論里看到有人說等到人類實(shí)現(xiàn)原子級別的3D打印的時(shí)候，現(xiàn)在的一切問題就都不是問題了吧。唔，至少我個(gè)人并不覺得人類實(shí)現(xiàn)那種技術(shù)的時(shí)候，它還會被叫作3D打印。

  3D打印要面對和另一個(gè)問題，是產(chǎn)品的性能，特別是機(jī)械性能，這也是“沒有打不出，只有想不到”這句話最大的問題。普通大眾對制造的理解往往只是用一種特定的材料實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的外形，這讓3D打印看起來很完美。對材料性能的理解，粗淺點(diǎn)的，覺得鐵和木頭有區(qū)別，鐵和鐵之間區(qū)別不大，或是鐵合金和鐵合金之間的區(qū)別在于鐵和碳的比例，改變材料的性質(zhì)只是改變合金中不同成分的比例。在機(jī)械制造業(yè)內(nèi)的人看來，這當(dāng)然不對。記得武俠小說里鑄劍要把鐵燒得通紅然后淬火么？記得某手機(jī)發(fā)布會上的“奧式體”么？記得化學(xué)課上學(xué)過的金剛石和石磨都是碳單質(zhì)么？記得足球烯和碳納米管么？材料的微觀結(jié)構(gòu)對材料的性能影響很大，金屬材料中有“金相”的概念，上面提到的“奧氏體”就是一種金相，它表征了晶體的微觀結(jié)構(gòu)。我本科畢業(yè)后就不再研究材料了，好多東西都記得不是很清楚了，但依然記得對材料的各種冷熱處理可以很大程度上改變材料的性能，比如各種熱處理，冷作硬化，表面處理等等。我仍然清楚地記得本科金屬工藝實(shí)習(xí)的時(shí)候手工做的小錘子，因?yàn)闆]有經(jīng)過熱處理，想要敲釘子但硬度還沒有釘子高，后來就只好用來敲核桃。而現(xiàn)有的3D打印技術(shù)，對材料微觀結(jié)構(gòu)的控制極其有限，對材料性能的控制也非常非常有限。新聞中說有人用3D打印打印出了手槍，但那只是實(shí)現(xiàn)了簡易的結(jié)構(gòu)和功能，幾乎沒有可靠性和耐用性可言。和上面提到的硅工藝類似，傳統(tǒng)的材料科學(xué)和制造工藝也在一刻不停地發(fā)展，3D打印想要完全取代它們，很難。

  這里再多說一點(diǎn)器官3D打印。我本科畢業(yè)設(shè)計(jì)就在做生物3D打印，當(dāng)時(shí)我的指導(dǎo)老師第一次跟我說要用細(xì)胞打印肝臟的時(shí)候，我覺得這真是個(gè)偉大的想法，感覺自己在做一件酷得不得了的事情。當(dāng)然，你不能指望一個(gè)本科生打印出一整個(gè)肝臟來，那打印個(gè)人造血管怎么樣？唔，要求好像還是高了點(diǎn)，那么打印一個(gè)人工血管壁組織吧，一層內(nèi)皮細(xì)胞、一層平滑肌細(xì)胞組成的雙層組織。打印的材料呢，是干細(xì)胞，也就是“萬能細(xì)胞”，干細(xì)胞具有分化成任意細(xì)胞的能力。可是把細(xì)胞一個(gè)一個(gè)堆起來它們就會自己長成組織了么？當(dāng)然不會，所以要把細(xì)胞和特定的基質(zhì)材料混合在一起，在4攝氏度的低溫環(huán)境下打印成形，然后把干細(xì)胞培養(yǎng)起來，加入特定的生長因子，向內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞轉(zhuǎn)化。聽起來不難，是吧？可是一個(gè)學(xué)期下來，中間的艱辛真是數(shù)不勝數(shù)。細(xì)胞并不會按照我們的想法生長，有的時(shí)候也不會按我們預(yù)想的方向分化，搞不好還會全部死掉。當(dāng)然，最后我的確在我的組織樣品里找到了小片的內(nèi)皮組織和平滑肌組織，但我覺得叫它們細(xì)胞團(tuán)可能更合適。好吧，問題還沒完，即使我順利地得到了內(nèi)皮組織和平滑肌組織，怎樣控制它們按雙層的膜結(jié)構(gòu)生長呢？又怎樣形成血管呢？如果你看過肝臟的血管網(wǎng)，你會對打印肝臟絕望的……打印像肝臟這樣的復(fù)雜器官，和打印一個(gè)肝臟的模型比起來，只是看起來很美好啊。把不同的材料按三維坐標(biāo)堆積起來，一個(gè)器官的模型就打印好了；可是把不同的細(xì)胞按照它們的位置堆積起來，我們并不能得到一個(gè)肝臟。3D打印器官目前也有一些進(jìn)展，比如打印膀胱和心肌組織，當(dāng)然，和肝臟比，打印這些器官的難度就低得多了。總地來說，3D打印器官并不是完全不可行，但這需要基礎(chǔ)科學(xué)和生物技術(shù)的發(fā)展。

  3D打印當(dāng)然是很好的技術(shù)，但是技術(shù)不是用來迷信的。人類的制造技術(shù)發(fā)展到今天，沒有哪一種制造技術(shù)可以單打獨(dú)斗地解決所有問題，相信3D打印也不能。3D打印和傳統(tǒng)制造之間并不是你死我活的關(guān)系，沒必要非要用一種去取代另一種。3D打印可以是現(xiàn)有制造技術(shù)的一個(gè)非常好的補(bǔ)充和完善。同時(shí)，3D打印更大的意義在于讓更多的普通人可以更方便地設(shè)計(jì)和制造自己的產(chǎn)品而無需借助于工廠。建筑設(shè)計(jì)師們可以快速地打印模型來驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)，藝術(shù)家們可以更自由地創(chuàng)造藝術(shù)品，老師們可以更方便地把書本上的東西變成學(xué)生們看得見摸得著的模型，孩子們可以DIY自己的玩具……3D打印也許真的可以改變世界，但或許不是以人們之前想象的那種方式。

來源：王智科學(xué)網(wǎng)博客

作者王智，系University of Notre Dame 博士研究生